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equ1_006.tex

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\exo{Une équation différentielle d'ordre 1}
 
On considère les équations différentielles
$$
   (E_1):y'-2y=0
      \qquad {\rm et} \qquad
   (E_2):y'=y.
$$
 
\itemitemalphnum Résoudre les équations différentielles 
$(E_1)$ et $(E_2)$.
 
\itemitemalph Déterminer la solution particulière $f_1$ de $(E_1)$ 
telle que $f'_1 (0)=4$
 
\itemitem{} Déterminer la solution particulière $f_2$ de $(E_2)$ 
telle que $f_2 (0)=1$.
 
\itemnum Soit $g$ la fonction définie sur $\rset$ par~:
\quad $g(x)=2e^{2x}-e^x$.
 
\itemitemalph \'Etudier les limites de la fonction $g$ en $-\infty $
et en $+\infty $. Pour étudier la limite de $g$ en $+\infty$, on
pourra écrire, pour tout nombre réel $x$, $g(x)=e^x(2e^x-1)$.
 
\itemitemalph Déduire de la question précédente l'existence d'une
asymptote dont on précisera une équation.
 
\itemitemalph Déterminer la dérivée $g'$ de $g$.
 
\itemitemalph \'Etudier le signe de $g'$. En déduire le tableau des
variations de $g$.
 
\itemnum Préciser les coordonnées des points d'intersection de la 
courbe avec les axes du repère.
 
\itemnum Construire la courbe représentative de la fonction $g$
dans un repère orthogonal.
 
\itemnum Déterminer, en unités d'aire, l'aire comprise entre la
courbe de $g$, l'axe $Ox$ et les droites d'équations respectives $x =
0$ et $x = 1$.
 
\finexo
 
\corrige{}
 
\itemalphnum Le cours nous dit que~
 
\item{$\bullet $} Les solutions de l'équation $(E_1)$ sont toutes
les fonctions $y$ ayant une écriture de la forme \dresultat{y (x) = k
e^{2x}}, où $k$ est une constante réelle quelconque.
 
\item{$\bullet $} Les solutions de l'équation $(E_2)$ sont toutes
les fonctions $y$ ayant une écriture de la forme \dresultat{y (x) = \ell
e^{x}}, où $\ell $ est une constante réelle quelconque.
 
\itemalph Si $f_1$ est solution de $(E_1)$, alors $f_1 (x)$ s'écrit
$f_1 (x) = k e^{2x}$ pour une certaine valeur de $k$. On a donc $f'_1
(x) = 2ke^{2x}$, et $f'_1 (0) = 2k$. De la condition initiale $f'_1
(0) = 4$, on en déduit alors que $k = 2$. D'où la fonction cherchée
\mresultat{f_1 (x) = 2 e^{2x}}.
 
\item{} De la même façon, si $f_2$ est solution de $(E_2)$, alors $f_2
(x)$ s'écrit $f_2 (x) = \ell e^x$ pour une certaine valeur de $\ell $.
De la condition initiale $f_2 (0) = 1$, on en déduit alors que $\ell =
1$. D'où la fonction cherchée \mresultat{f_2 (x) = e^x}.
 
\everymath = {\displaystyle }
 
\itemalphnum On a facilement \dresultat{\lim_{x \to -\infty } g (x) =
0} puisque $g (x) = 2e^{2x} - e^x$ avec $\lim_{x \to -\infty } e^{2x}
= 0$ et $\lim_{x \to -\infty } e^x = 0$. 
 
\item{} En $+\infty $, l'écriture $2e^{2x} - e^x$ donne une forme
indéterminée. Pour lever cette in\-dé\-ter\-mi\-na\-tion, il suffit de
remarquer que $e^{2x} = \big( e^x\big)^2$, ce qui permet d'écrire $g
(x)$ sous la forme $g (x) = e^x (2e^x - 1)$. On a alors la limite 
\dresultat{\lim_{x \to +\infty } g (x) = +\infty } puisque $\lim_{x
\to +\infty } e^x = +\infty $.
 
\itemalph L'existence d'une \tresultat{asymptote horizontale
d'équation $y=0$} à la courbe de $g$ en $-\infty $ est prouvée par
limite de $g$ en $-\infty $.
 
\itemalph On a \dresultat{g' (x) = 4e^{2x} - e^x = e^x (4e^x - 1)}.
 
\itemalph L'exponentielle étant toujours strictement positive, la
dérivée $g'$ est du signe de $4e^x - 1$. Or
$$
   4e^x - 1 \geq 0
      \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   e^x \geq {1\over 4}
      \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   x \geq \ln \left( {1 \over 4}\right) = - 2\ln 2
$$
d'où le tableau des variations de $g$~:
$$\vcenter{
\eightpoint\rm
   \def \hfq{\hfil \ }
   \offinterlineskip
   \halign{
   % preamble
      &\hfq #\hfq
   \cr
      $x$& \vrule depth 5pt 
      & $-\infty $&& $-2 \ln 2$&& $+\infty$%
   \cr
   \noalign{\hrule}
      $f' (x)$& \vrule height 10pt depth 3pt 
      && $-$& $0$& $+$ 
   \cr
   \noalign{\hrule}
      \bbuucenter{$f (x)$}& \vrule
      & \bbuup{$0$}&
      \bbrightddownarrow & \down{$-0, 125$}&
      \bbrightuuparrow & \bbuup{$+\infty $}
   \cr
}}
$$
où $g (-2\ln 2) = 2 e^{-4\ln 2} - e^{-2\ln 2} = 2 e^{\ln {1 \over 2^4}}
- e^{\ln {1 \over 2^2}} = {2\over 16} - {1\over 4} = - {1\over 8}$
 
\itemnum On a $g (0) = 1$, donc l'intersection de la courbe de $g$
avec l'axe $Oy$ est le point \mresultat{A (0, 1)}.
 
\item{} Rechercher l'intersection de la courbe représentative de la
fonction $g$ avec l'axe $Ox$ revient à résoudre le système
%%% %% pour la magnification 1000
%%% $$
%%%    \cases{
%%% 	  y = g (x)
%%%    \cr
%%% 	  y = 0
%%%    \cr}
%%% 	  \quad \Leftrightarrow \quad
%%%    \cases{
%%% 	  0 = e^x (2e^x - 1)
%%%    \cr
%%% 	  y = 0
%%%    \cr}
%%% 	  \quad \Leftrightarrow \quad
%%%    \cases{
%%% 	  0 = 2e^x - 1
%%%    \cr
%%% 	  y = 0
%%%    \cr}
%%% 	  \quad \Leftrightarrow \quad
%%%    \cases{
%%% 	  1/2 = e^x
%%%    \cr
%%% 	  y = 0
%%%    \cr}
%%% 	  \quad \Leftrightarrow \quad
%%%    \cases{
%%% 	  \ln (1/2) = x
%%%    \cr
%%% 	  y = 0
%%%    \cr}
%%% $$
%%% 
%% pour la magnification 1200
$$\displaylines{
   \cases{
      y = g (x)
   \cr
      y = 0
   \cr}
      \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   \cases{
      0 = e^x (2e^x - 1)
   \cr
      y = 0
   \cr}
      \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   \cases{
      0 = 2e^x - 1
   \cr
      y = 0
   \cr}
\cr
      \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   \cases{
      1/2 = e^x
   \cr
      y = 0
   \cr}
      \qquad \Longleftrightarrow \qquad
   \cases{
      \ln (1/2) = x
   \cr
      y = 0
   \cr}
\cr
}$$
d'où l'unique point d'intersection \mresultat{B (-\ln 2, 0)}.
 
\itemnum
\def \epspath{%
   $HOME/tex_doc/lycee/database/term/sti/analyse/equadiff/}
\epsfxsize = 120mm
$$
   \superboxepsillustrate{equ1_006.ps}
$$
 
\itemnum Le nombre $g (0)$ étant positif, et $g$ étant croissante sur
$[0, 1]$, la fonction $g$ est donc positive sur $[0, 1]$. L'aire
cherchée est alors donnée, en unités d'aire, par le calcul
$$
   \int_0^1 g (x) \, dx 
      = \int_0^1 2e^{2x} - e^x \, dx 
      = \left[ e^{2x} - e^x \right]_0^1
      = (e^2 - e) - (1 - 1)
$$
d'où l'aire cherchée~: \dresultat{{\cal A} = e^2 - e} en unités d'aire.
 
\fincorrige